Kohlenstoff ist eines der häufigsten Elemente in der Natur und umfasst die Eigenschaften fast aller auf der Erde vorkommenden Substanzen. Es weist ein breites Spektrum an Eigenschaften auf, wie z. B. unterschiedliche Härte und Weichheit, Isolations-Halbleiter-Supraleiter-Verhalten, Wärmeisolations-Supraleitung und vollständige Lichtabsorptionstransparenz. Unter diesen sind Materialien mit sp2-Hybridisierung die Hauptmitglieder der Familie der Kohlenstoffmaterialien, darunter Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Fullerene und amorpher Glaskohlenstoff.
Graphit- und Glaskohlenstoffproben
Während die vorherigen Materialien bekannt sind, konzentrieren wir uns heute auf glasigen Kohlenstoff. Glaskohlenstoff, auch Glaskohlenstoff oder Glaskohlenstoff genannt, vereint die Eigenschaften von Glas und Keramik zu einem nicht-graphitischen Kohlenstoffmaterial. Im Gegensatz zu kristallinem Graphit handelt es sich um ein amorphes Kohlenstoffmaterial, das nahezu zu 100 % sp2-hybridisiert ist. Glaskohlenstoff wird durch Hochtemperatursintern organischer Vorläuferverbindungen wie Phenolharze oder Furfurylalkoholharze unter einer Inertgasatmosphäre synthetisiert. Sein schwarzes Aussehen und die glatte, glasartige Oberfläche brachten ihm den Namen „glasiger Kohlenstoff“ ein.
Seit seiner ersten Synthese durch Wissenschaftler im Jahr 1962 wurden die Struktur und Eigenschaften von Glaskohlenstoff umfassend untersucht und bleiben ein heißes Thema auf dem Gebiet der Kohlenstoffmaterialien. Glaskohlenstoff kann in zwei Typen eingeteilt werden: Glaskohlenstoff vom Typ I und Typ II. Glaskohlenstoff vom Typ I wird aus organischen Vorläufern bei Temperaturen unter 2000 °C gesintert und besteht hauptsächlich aus zufällig ausgerichteten gekräuselten Graphenfragmenten. Glaskohlenstoff vom Typ II hingegen wird bei höheren Temperaturen (~2500 °C) gesintert und bildet eine amorphe mehrschichtige dreidimensionale Matrix aus selbstorganisierten fullerenähnlichen kugelförmigen Strukturen (wie in der Abbildung unten dargestellt).
Darstellung der glasartigen Kohlenstoffstruktur (links) und hochauflösendes Elektronenmikroskopbild (rechts)
Jüngste Untersuchungen haben ergeben, dass Glaskohlenstoff vom Typ II eine höhere Kompressibilität aufweist als Typ I, was auf seine selbstorganisierten Fulleren-ähnlichen Kugelstrukturen zurückzuführen ist. Trotz geringfügiger geometrischer Unterschiede bestehen sowohl die glasartigen Kohlenstoffmatrizen vom Typ I als auch vom Typ II im Wesentlichen aus ungeordnetem gekräuseltem Graphen.
Anwendungen von Glaskohlenstoff
Glaskohlenstoff verfügt über zahlreiche herausragende Eigenschaften, darunter geringe Dichte, hohe Härte, hohe Festigkeit, hohe Undurchlässigkeit für Gase und Flüssigkeiten sowie hohe thermische und chemische Stabilität, die ihn in Branchen wie Fertigung, Chemie und Elektronik weit verbreitet einsetzbar machen.
01 Hochtemperaturanwendungen
Glaskohlenstoff weist eine hohe Temperaturbeständigkeit in Inertgas- oder Vakuumumgebungen auf und hält Temperaturen von bis zu 3000 °C stand. Im Gegensatz zu anderen Hochtemperaturmaterialien aus Keramik und Metall steigt die Festigkeit von Glaskohlenstoff mit der Temperatur und kann bis zu 2700 K erreichen, ohne spröde zu werden. Außerdem verfügt es über eine geringe Masse, eine geringe Wärmeabsorption und eine geringe Wärmeausdehnung, wodurch es für verschiedene Hochtemperaturanwendungen geeignet ist, darunter Thermoelement-Schutzrohre, Beschickungssysteme und Ofenkomponenten.
02 Chemische Anwendungen
Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit findet Glaskohlenstoff umfangreiche Verwendung in der chemischen Analyse. Geräte aus Glaskohlenstoff bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen Laborgeräten aus Platin, Gold, anderen korrosionsbeständigen Metallen, Spezialkeramik oder Fluorkunststoffen. Zu diesen Vorteilen gehören die Beständigkeit gegenüber allen nassen Zersetzungsmitteln, kein Memory-Effekt (unkontrollierte Adsorption und Desorption von Elementen), keine Kontamination der analysierten Proben, Beständigkeit gegenüber Säuren und alkalischen Schmelzen sowie eine porenfreie Glasoberfläche.
03 Zahntechnik
Glaskohlenstofftiegel werden in der Dentaltechnik häufig zum Schmelzen von Edelmetallen und Titanlegierungen eingesetzt. Sie bieten Vorteile wie hohe Wärmeleitfähigkeit, längere Lebensdauer im Vergleich zu Graphittiegeln, kein Anhaften von geschmolzenen Edelmetallen, Temperaturwechselbeständigkeit, Anwendbarkeit auf alle Edelmetalle und Titanlegierungen, Verwendung in Induktionsgusszentrifugen, Schaffung von Schutzatmosphären über geschmolzenen Metallen, und Eliminierung der Notwendigkeit eines Flussmittels.
Die Verwendung von Glaskohlenstofftiegeln verkürzt die Aufheiz- und Schmelzzeiten und ermöglicht den Betrieb der Heizschlangen der Schmelzeinheit bei niedrigeren Temperaturen als herkömmliche Keramikbehälter, wodurch die für jeden Guss erforderliche Zeit verkürzt und die Lebensdauer des Tiegels verlängert wird. Darüber hinaus beseitigt die Nichtbenetzbarkeit Bedenken hinsichtlich Materialverlust.
04 Halbleiteranwendungen
Glaskohlenstoff ist mit seiner hohen Reinheit, außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit, Abwesenheit von Partikelbildung, Leitfähigkeit und guten mechanischen Eigenschaften ein ideales Material für die Halbleiterproduktion. Tiegel und Boote aus glasartigem Kohlenstoff können zum Zonenschmelzen von Halbleiterkomponenten nach der Bridgman- oder Czochralski-Methode, zur Synthese von Galliumarsenid und zur Einkristallzüchtung verwendet werden. Darüber hinaus kann Glaskohlenstoff als Komponenten in Ionenimplantationssystemen und Elektroden in Plasmaätzsystemen dienen. Aufgrund seiner hohen Röntgentransparenz eignen sich Glaskohlenstoffchips auch für Röntgenmaskensubstrate.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Glaskohlenstoff außergewöhnliche Eigenschaften bietet, darunter hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Inertheit und hervorragende mechanische Leistung, wodurch er für ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen geeignet ist.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. Dezember 2023